基于Ansys Workbench的單層塔架抗震受力仿真

許豐，楊煜新，林旭

(廣東金明精機(jī)股份有限公司，廣東 汕頭 515098)

重包吹膜機(jī)組的塔架比較高，塔架剛度不足會(huì)容易晃動(dòng)。針對(duì)此類問題，應(yīng)用Ansys Workbench對(duì)不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的單層塔架做單一變量對(duì)比分析，直觀地得出薄弱環(huán)節(jié)的位置，找出改進(jìn)剛度的方向。從結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、成本方面去平衡，采用相對(duì)合適的方式，并有針對(duì)性的加以改善。利用管理軟件進(jìn)行分析和模擬設(shè)計(jì)，通過系統(tǒng)把控核心質(zhì)量點(diǎn)，避免盲目的改動(dòng)造成不必要的浪費(fèi)。

線性材料結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析經(jīng)常應(yīng)用于土木行業(yè)的塔架、橋梁等的抗震計(jì)算，同時(shí)也在機(jī)械行業(yè)的振動(dòng)疲勞分析等有廣泛應(yīng)用。在Ansys Workbench中，做建筑物地震分析一般采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析或響應(yīng)譜分析。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是時(shí)域分析；響應(yīng)譜分析是頻域分析。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析（亦稱時(shí)間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的一種方法?？梢杂盟矐B(tài)動(dòng)力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。載荷和時(shí)間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼作用比較重要。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可采用三種方法：完全法、模態(tài)疊加法以及縮減法。

1 建立幾何模型

塔架按照立柱、梁、柱腳、支撐斜桿這幾個(gè)部分進(jìn)行搭接，根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)選用型材規(guī)格及尺寸，根據(jù)不同單一變量依次修改立柱、梁、支撐斜桿型材大小與長度。根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)，影響塔架剛度的無非是立柱的型材大小/厚度，支撐斜桿的型材大小/長度，通過Solidworks創(chuàng)建出不同的幾何模型，如圖1所示。

圖1 幾種不同的塔架solidworks模型

其中（a）為改善前模型 ，（b）為立柱方管加大，（c）為立柱方管加厚，（d）為支撐斜桿型材加大，（e）為支撐斜桿加長，（f）為立柱方管加大，橫拉桿型材加大，加豎撐，（g）為立柱方管加大，橫拉桿采用方管，加豎撐。

單層塔架主要尺寸參數(shù)：（a）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱200 mm×200 mm×6 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（b）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱250 mm×250 mm×6 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（c）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱200 mm×200 mm×10 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（d）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿160 mm×65 mm，立柱200 mm×200 mm×6 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（e）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱200 mm×200 mm×6 mm，支撐斜桿高度900 mm；（f）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱250 mm×250 mm×6 mm，橫拉桿160 mm×65 mm，加豎撐120 mm×53 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（g）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱250 mm×250 mm×6 mm，橫拉桿160 mm×80 mm×6 mm，加豎撐120 mm×53 mm，支撐斜桿高度1 700 mm。

2 受力仿真模擬過程

（1）創(chuàng)建瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)問題遵循的平衡方程為：

式中，[M]是質(zhì)量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x"}是加速度矢量。

動(dòng)力學(xué)分析適用于快速加載、沖擊碰撞的情況，在這種情況下慣性力和阻尼的影響不能被忽略。如果結(jié)構(gòu)靜定，載荷速度較慢，則動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果將等同于靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果。由于動(dòng)力學(xué)問題需要考慮結(jié)構(gòu)的慣性，因此對(duì)于動(dòng)力學(xué)分析來說，材料參數(shù)必須定義密度，另外材料的彈性模量和泊松比也是必不可少的輸入?yún)?shù)。

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析具有廣泛的應(yīng)用。對(duì)承受各種隨時(shí)間變化的載荷的結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑物等，都可以用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析來對(duì)它們的動(dòng)力響應(yīng)過程中的剛度、強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算模擬。如圖2所示。

知識(shí)內(nèi)化則主要以課堂教學(xué)為主，老師可以結(jié)合學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì)情況，針對(duì)學(xué)生所存在的不足進(jìn)行有效的輔導(dǎo)。因此，翻轉(zhuǎn)課堂能夠有效地促進(jìn)學(xué)生課前預(yù)習(xí)時(shí)間的延長，在完成主體教學(xué)之后，學(xué)生可以在課外觀看不同的視頻，采取不同的手段和途徑查閱相關(guān)的教學(xué)資料和學(xué)習(xí)資料，對(duì)個(gè)人所學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的鞏固。老師則可以結(jié)合學(xué)生作業(yè)完成的實(shí)質(zhì)情況對(duì)學(xué)生的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有效的檢驗(yàn)，以此來為后續(xù)教學(xué)活動(dòng)的開展提供更多的依據(jù)。

圖2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析項(xiàng)目

（2）導(dǎo)入幾何模型

本文通過Ansys Workbench對(duì)重包吹膜機(jī)組的單層塔架進(jìn)行受力仿真分析，首先將創(chuàng)建的單層塔架幾何模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，導(dǎo)入后查看模型是否正常合理，有無缺陷。導(dǎo)入后的模型如圖3所示。由于導(dǎo)入方法一致，分析方法一致，模型外觀相近，故在此受力仿真模擬過程中僅顯示改善前模型的分析過程，其他模型的模擬基本一致。圖3顯示的僅為改善前模型，其他模型暫不贅述。

圖3 改善前模型

（3）添加材料信息

本文選擇的材料Structural Steel（結(jié)構(gòu)鋼），此材料為Ansys Workbench19.0默認(rèn)被選中的材料，故不需要設(shè)置。

（4）網(wǎng)格劃分

本文主要分析塔架震動(dòng)變形量與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性，故網(wǎng)格大小對(duì)變形量大小影響不大，主要是影響應(yīng)力表現(xiàn)。設(shè)置網(wǎng)格大小為50 mm，其余采用默認(rèn)設(shè)置。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

（5）施加約束

先對(duì)立柱四個(gè)柱腳節(jié)點(diǎn)施加固定約束。在Analysis Settings里設(shè)置時(shí)間步參數(shù)，設(shè)置步數(shù)為20步，每步為0.1 s，選擇求解器類型Direct，其余選項(xiàng)為默認(rèn)，再輸入地震加速度譜數(shù)據(jù)。由于我們做的是對(duì)比分析，而且動(dòng)力學(xué)分析所需的計(jì)算時(shí)間較長。在此由于要減少計(jì)算量，加快計(jì)算速度，對(duì)地震加速度譜數(shù)據(jù)做了調(diào)整，只取前2 s的數(shù)值進(jìn)行分析。如圖5所示。

圖5 地震加速度譜

約束條件的設(shè)定如圖6所示。

圖6 約束條件

3 受力仿真模擬結(jié)果分析

模擬分析結(jié)果及輸出的變形曲線可以看出，變形量最大的時(shí)間為0.92 s，此時(shí)塔架變形量最大處為支撐斜桿橫拉桿，變形量為2.1 404 mm。變形量大小依照橫拉桿、平臺(tái)框架、立柱遞減。通過軟件后處理的Probe，可得到局部個(gè)別面的變形量，通過分析得到兩個(gè)方向的平臺(tái)變形量，可以看到塔架平臺(tái)在X軸方向的變形量為1.263 mm，在Y軸方向的變形量為0.9 903 mm，對(duì)比得到塔架平臺(tái)的變形量。如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 總變形量

圖8 X軸方向的變形量

圖9 Y軸方向的變形量

由此分析進(jìn)程對(duì)其他幾種模型進(jìn)行受力分析，得到的結(jié)果如圖10所示。

圖10 幾種不同塔架的變形量結(jié)果

其中（a）為改善前模型 ，（b）為立柱方管加大，（c）為立柱方管加厚，（d）為支撐斜桿型材加大，（e）為支撐斜桿加長，（f）為立柱方管加大，橫拉桿型材加大，加豎撐，（g）為立柱方管加大，橫拉桿采用方管，加豎撐。

以下為模擬后的具體結(jié)果數(shù)值，如表1所示。

表1 幾種不同塔架的變形量結(jié)果數(shù)值

從結(jié)果可以看出，改善后的模型對(duì)比改善前的抗震性能均有不同程度的提升。塔架變形量最大處均為支撐斜桿橫拉桿，變形量大小均為依照橫拉桿、平臺(tái)框架、立柱遞減。從塔架最大形變差作對(duì)比，立柱方管加大，橫拉桿型材加大，加豎撐和立柱方管加大，橫拉桿采用方管，加豎撐提升效果最明顯。從平臺(tái)最大形變差作對(duì)比，支撐斜桿加長有最為明顯的提升。從塔架重量差作對(duì)比，立柱方管加大和支撐斜桿加長最為經(jīng)濟(jì)，成本增加最少。

4 結(jié)語

（1）重包吹膜機(jī)組由于其工藝性，其塔架一般都會(huì)比較高，整個(gè)塔架的高寬比會(huì)比較大，單獨(dú)取一層來做模擬分析，能夠定性、直觀地得出薄弱環(huán)節(jié)的位置，并有針對(duì)性的加以改善，避免盲目的改動(dòng)造成不必要的浪費(fèi)。

（2）立柱、橫梁的截面慣性矩是決定剛度的主要因素，而全部采用高慣性矩的型材（如寬翼H鋼等），則會(huì)大大增加成本。

（3）軟件分析是基于理想狀態(tài)下的運(yùn)算，而實(shí)際貼合面的平整度、螺栓鎖緊力等因素均未考慮進(jìn)去。塔架都是用螺栓拼接緊固的，貼合面的鎖緊力、烤漆后的摩擦系數(shù)都會(huì)對(duì)塔架剛度產(chǎn)生影響。

（4）結(jié)合不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析，為合理控制成本，對(duì)重包吹膜機(jī)組的塔架可以采用立柱方管加大和支撐斜桿加長的方案，同時(shí)局部采用支撐斜桿型材加大的方案。

（5）應(yīng)用Ansys Workbench進(jìn)行有限元分析，可提前了解結(jié)構(gòu)的受力變形情況，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。